CN116848422A - 金刚石传感器单元及金刚石传感器系统 - Google Patents

金刚石传感器单元及金刚石传感器系统 Download PDF

Info

Publication number
CN116848422A
CN116848422A CN202280011208.6A CN202280011208A CN116848422A CN 116848422 A CN116848422 A CN 116848422A CN 202280011208 A CN202280011208 A CN 202280011208A CN 116848422 A CN116848422 A CN 116848422A
Authority
CN
China
Prior art keywords
diamond
light
optical waveguide
sensor unit
excitation light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202280011208.6A
Other languages
English (en)
Inventor
西林良树
中西裕美
出口洋成
林司
辰巳夏生
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissin Electric Co Ltd
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Nissin Electric Co Ltd
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissin Electric Co Ltd, Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Nissin Electric Co Ltd
Publication of CN116848422A publication Critical patent/CN116848422A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/24—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/26—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using optical pumping
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/32—Optical coupling means having lens focusing means positioned between opposed fibre ends
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4202—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details for coupling an active element with fibres without intermediate optical elements, e.g. fibres with plane ends, fibres with shaped ends, bundles
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
    • G02B6/4214—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms the intermediate optical element having redirecting reflective means, e.g. mirrors, prisms for deflecting the radiation from horizontal to down- or upward direction toward a device
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
    • G02B6/4215—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms the intermediate optical elements being wavelength selective optical elements, e.g. variable wavelength optical modules or wavelength lockers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4246—Bidirectionally operating package structures

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

一种金刚石传感器单元，包括：传感器部，包括具有色心的金刚石，所述色心带有电子自旋；照射部，向金刚石照射激发光；检测部，检测来自金刚石的色心的放射光；以及光波导，传输激发光及放射光。

Description

金刚石传感器单元及金刚石传感器系统
技术领域
本公开涉及金刚石传感器单元及金刚石传感器系统。本申请主张基于2021年1月27日申请的日本申请第2021-010935号的优先权，并引用所述日本申请中记载的全部记载内容。
背景技术
已知有使用了金刚石的NV中心的传感器。在将金刚石的NV中心与显微镜组合使用的情况下，例如如图1所示构成。即，配置于基板912的LED900放射用于激发金刚石904的NV中心的绿色的光。所放射的光在通过SPF(Short Pass Filter：短通滤波器)902之后，入射到配置于基板914的金刚石904。由此，NV-中心的电子成为激发态。在被激发的电子恢复到原来的基态时，从金刚石904放射红色的荧光，该荧光被透镜906聚光，在通过LPF(LongPass Filter：长通滤波器)908之后，由配置于基板916的光电二极管910检测。另外，向金刚石904照射由外部装置(未图示)产生的微波。由此，若成为自旋态不同的状态和共振态而被激发，则来自金刚石904的红色的荧光的强度发生变化。该变化由光电二极管910检测。透镜906可以是高性能的光学显微镜的透镜结构，也可以是简易的透镜结构。
在下述专利文献1中公开了一种使用了金刚石的NV中心的扫描探针显微镜(即频率调制型原子力显微镜(FM-AFM))。另外，在下述专利文献2中公开了一种使用了金刚石的NV中心的磁场检测装置。在下述非专利文献2中公开了一种使用了透镜的紧凑的磁场检测装置。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-67650号公报
专利文献2：日本特开2018-136316号公报
非专利文献
非专利文献1：Arne Wickenbrock,et al.,“Microwave-free magnetometry withnitrogen-vacancy centers in diamond,”Applied Physics Letters 109,053505(2016)
非专利文献2：Felix M.Stuerner,et al.,“Compact integrated magnetometerbased on nitrogen-vacancy centres in diamond”,Diamond&Related Materials 93(2019)59-65
发明内容
本公开的一方面所涉及的金刚石传感器单元包括：传感器部，包括具有色心的金刚石，所述色心带有电子自旋；照射部，向金刚石照射激发光；检测部，检测来自金刚石的色心的放射光；以及光波导，传输激发光及放射光。
本公开的其他方面所涉及的金刚石传感器系统包括：上述的金刚石传感器单元，金刚石配置于传输微波或毫米波的传输线路上，传感器部作为磁传感器发挥功能；电磁波产生部，产生微波或毫米波；以及控制部，控制照射部、检测部及电磁波产生部，控制部将微波或毫米波与激发光一起在时间上及空间上组合而向金刚石照射。
附图说明
图1是示出现有的使用了金刚石的NV中心的显微镜的截面图。
图2是示出本公开的第一实施方式所涉及的金刚石传感器单元的概略结构的示意图。
图3是示出使用了图2所示的金刚石传感器单元的测定时的激发光及电磁波的照射定时、以及放射光的测定定时的时序图。
图4是示意性地示出观测到的信号强度(即放射光强度)与电磁波(即微波)的频率的关系的图表。
图5是示出本公开的第二实施方式所涉及的金刚石传感器单元的概略结构的示意图。
图6是示出第一变形例所涉及的金刚石传感器单元的概略结构的示意图。
图7是示出第二变形例所涉及的金刚石传感器单元的概略结构的示意图。
图8是示出第三变形例所涉及的金刚石传感器单元的概略结构的示意图。
图9是示出第四变形例所涉及的金刚石传感器单元的概略结构的示意图。
图10是示出第五变形例所涉及的金刚石传感器单元的概略结构的示意图。
图11是示出第二实施方式(参照图5)的实施例的立体图。
图12是示出使用了共面线路的电磁波照射部的立体图。
图13是示出接收微波的贴片天线的立体图。
图14A是示出实验结果的图表。
图14B是示出实验结果的图表。
图14C是示出实验结果的图表。
图15是示出实验结果的图表。
图16是示出图10所示的结构的实施例的立体图。
具体实施方式
[发明要解决的技术问题]
在对电力设备等高电压设备使用传感器的情况下，由于因放电而瞬间产生的高电压及大电流，另外，由于伴随于此的强力的电磁波的产生，存在发光元件及受光元件损伤的可能性。在高电压环境中使用的传感器中，无法采用专利文献1所公开的结构。
在专利文献2中，公开了将发光元件及受光元件远离金刚石及微波照射线圈而配置。但是，由于将激发光及发光的荧光作为平行光在空中传输，因此会扩散，远离的距离有限。特别是，由于荧光的信号强度弱，因此成为问题。
因此，本公开的目的在于提供即使在高电压环境中也不会受到损伤，远距离也能够精度良好地检测磁场等的金刚石传感器单元及金刚石传感器系统。
[发明的效果]
根据本公开，能够提供即使在高电压环境中也不会受到损伤，远距离也能够精度良好地测定磁场及电场等的金刚石传感器单元及金刚石传感器系统。
[本公开的实施方式的说明]
列出本公开的实施方式的内容进行说明。也可以任意组合以下记载的实施方式的至少一部分。
(1)本公开的第一方面所涉及的金刚石传感器单元包括：传感器部，包括具有色心的金刚石，所述色心带有电子自旋；照射部，向金刚石照射激发光；检测部，检测来自金刚石的色心的放射光；以及光波导，传输激发光及放射光。由此，即使在高电压环境中也不会受到损伤，远距离也能够精度良好地测定磁场及电场等。
(2)传感器部能够包括对激发光及放射光进行聚光的聚光元件，聚光元件能够配置于金刚石与光波导之间。由此，能够减少激发光及放射光的损耗，提高检测精度。
(3)聚光元件也可以是基于氧化硅而形成的球状的透镜、或者基于氧化硅而形成的菲涅耳透镜，光波导也可以是芯径为1μm以上且80μm以下的光纤。由此，能够更高效地传输激发光及放射光，能够提高检测精度。另外，能够比较容易地将激光引导至期望的位置，也能够抑制在光纤的输出端部的发散。
(4)光波导也可以经由至少一个绝缘碍子中而配置。由此，在配置有传感器部的高电压环境中，即使发生放电等，也能够防止检测部等受到损伤。
(5)光波导也可以包括传输激发光及放射光的一个介质，也可以在距光波导的两个端部中的、位于距金刚石更远的位置的一个端部规定距离内，包括将激发光与放射光分离的荧光反射滤波器、LPF或分色镜。由此，与设置分别传输激发光及放射光的介质的情况相比，能够减少构成要素，能够成为简单的结构。
(6)光波导也可以包括传输激发光的第一光波导和传输放射光的第二光波导，第一光波导的一个端部也可以配置于比第一光波导的另一个端部更靠近金刚石的位置，第二光波导的一个端部也可以配置于比第二光波导的另一个端部更靠近金刚石的位置，也可以在距第一光波导的一个端部及第二光波导的一个端部规定距离内，包括将激发光与放射光分离的荧光反射滤波器、LPF或分色镜。由此，与将激发光及放射光一起由一个介质传输的情况相比，能够以适合各个的方式传输激发光及放射光，能够提高检测精度。
(7)第一光波导也可以包括第一光纤，第二光波导也可以包括第二光纤，第二光纤的芯径也可以比第一光纤的芯径大。由此，能够以适合各个波长的方式传输激发光及放射光，能够提高检测精度。
(8)第一光纤的芯径也可以为1μm以上且100μm以下，第二光纤的芯径也可以为1μm以上且1mm以下。由此，能够使用适合各个波长的芯径的光纤来传输激发光及放射光，而不使用不必要的粗芯径的光纤，因此能够减少成本。
(9)金刚石也可以至少具有多个平坦面，激发光也可以入射到多个平坦面中的第一平坦面，检测部也可以检测从多个平坦面中的第一平坦面以外的第二平坦面放射的放射光。由此，不需要将激发光与放射光分离的部件(例如，荧光反射滤波器、LPF或分色镜)，能够减少成本。
(10)具有金刚石的传感器部也可以全部由电绝缘部件形成。由此，在配置有传感器部的高电压环境中，即使发生放电等，也能够抑制传感器部受到损伤。
(11)金刚石也可以配置于传输微波或毫米波的传输线路上，传感器部也可以作为磁传感器发挥功能。由此，能够精度良好地向金刚石的NV中心照射微波或毫米波。
(12)传输线路也可以包括配置于一边为5cm以下的矩形的印刷基板上的主布线，也可以在主布线的一个端部配置有金刚石。由此，能够向金刚石的NV中心照射微波。
(13)金刚石的自旋相干时间也可以小于50μsec。由此，NV中心从激发态迅速恢复到原来的状态，因此能够高效地检测交流的磁场及电场等。特别是，能够检测脉冲变化的磁场及电场等。
(14)金刚石中的总氢浓度也可以为1ppm以下。由此，能够缩短金刚石的自旋相干时间T2，NV中心从激发态迅速恢复到原来的状态。因此，能够高效地检测交流的磁场及电场等。
(15)金刚石中的NVH-浓度、CH浓度及CH2浓度也可以均小于1ppm。由此，能够缩短金刚石的自旋相干时间T2，NV中心从激发态迅速恢复到原来的状态。因此，包括脉冲变化的磁场及电场，能够高效地检测交流的磁场及电场等。
(16)本公开的第二方面所涉及的金刚石传感器系统包括：上述的金刚石传感器单元，金刚石配置于传输微波或毫米波的传输线路上，传感器部作为磁传感器发挥功能；电磁波产生部，产生微波或毫米波；以及控制部，控制照射部、检测部及电磁波产生部，控制部将微波或毫米波与激发光一起在时间上及空间上组合而向金刚石照射。由此，即使在高电压环境中也不会受到损伤，远距离也能够精度良好地测定磁场及电场等。
[本公开的实施方式的详情]
在以下的实施方式中，对相同的部件标注相同的附图标记。它们的名称及功能也相同。因此，不重复对它们的详细说明。
(第一实施方式)
参照图2，本公开的第一实施方式所涉及的金刚石传感器单元100包括激发光产生部106、荧光反射滤波器110、光波导112、传感器部120、LPF122及受光部128。在金刚石传感器单元100的外部配置有电磁波产生部140及控制部142。
控制部142具备CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)及存储部(均未图示)。控制部142进行的后述的处理通过CPU读出并执行预先存储在存储部中的程序来实现。
激发光产生部106包括发光元件102及聚光元件104。发光元件102受到控制部142的控制，产生用于激发后述的金刚石的NV-中心(以下，简记为NV中心)的激发光。控制部142例如将用于使发光元件102发光的电压在规定的定时供给到发光元件102。激发光是绿色的光(即波长约为490～560nm)。激发光优选为激光，发光元件102优选为半导体激光器(例如，放射光的波长为532nm)。聚光元件104对从发光元件102输出的激发光进行聚光。聚光元件104是用于将从发光元件102扩散并输出的激发光尽可能多地输入到后述的光波导112的光的入射端部的部件。聚光元件104优选输出聚光在比光波导112的光的入射端部的大小(例如，在使用光纤的情况下，为其芯径(即纤芯的直径))小的范围内的平行光。
荧光反射滤波器110是用于将从聚光元件104入射的激发光与从后述的金刚石放射的光(即荧光)分离的元件。例如，荧光反射滤波器110是使规定波长以下的波长的光通过，并截止(即反射)比规定波长大的波长的光的短通滤波器，或者是使规定波长范围内的波长的光通过，并截止(即反射)规定波长范围外的波长的光的带通滤波器。通常，由于激发光的波长比荧光短，因此优选这样的结构。荧光反射滤波器110优选为带有这样的功能的分色镜。
光波导112包括传输光的介质，双向传输光。即，将入射到配置于激发光产生部106侧的一个端部的激发光传输至配置于传感器部120侧的另一个端部。另外，将入射到另一个端部的金刚石元件116的放射光(即荧光)传输至一个端部。光波导112例如是光纤。为了提高所传输的激发光的能量密度，优选光纤的芯径尽可能地小。另一方面，若芯径过小，则将从光源(即发光元件)扩散并放射的光输入到光纤的效率降低。因此，存在适当的芯径。例如，光纤的芯径约为80μm以下且1μm以上。例如，在芯径比80μm大的情况下，即使利用透镜也难以提高激发光的能量密度，因此NV中心的自旋的初始化需要时间，成为响应速度慢的传感器。为了解决该问题，需要输出更大的激光器，而牺牲了可移动性及稳定性。另一方面，在芯径比1μm小的情况下，向光纤的入射效率变差，并且对应的激光二极管的光源尺寸变得过小，容易产生由光学损伤COD(Catastrophic Optical Damage：灾变性光学损伤)引起的故障。进而，能够得到足够的输出作为激发光的激光二极管限定于高昂的激光二极管，在实用上难以利用。
传感器部120包括聚光元件114、金刚石元件116及电磁波照射部118。金刚石元件116包括NV中心。聚光元件114与金刚石元件116接触而配置。聚光元件114会聚从光波导112输出的激发光，并向金刚石元件116照射。电磁波照射部118向金刚石元件116照射电磁波(例如微波)。电磁波照射部118例如是包括电导体而形成的线圈。电磁波从金刚石传感器单元100外部的电磁波产生部140供给到电磁波照射部118。激发光及电磁波向金刚石元件116的照射由控制部142控制，例如，在图3所示的定时进行。即，控制部142控制发光元件102，使得在规定的定时输出激发光规定的时间(例如期间t1)。控制部142控制电磁波产生部140，使得在规定的定时输出电磁波规定的时间(例如期间t2)。期间t2的脉冲序列只要根据所使用的金刚石(例如，多个NV中心的取向的一致情况)及观测信号(即，受到NV中心的自旋状态的影响的信号)等使用适当的脉冲序列即可。由此，将电磁波与激发光一起在时间上及空间上组合而向金刚石元件116照射。如后所述，控制部142在规定的定时(例如期间t3内)接收所输入的光检测部126的输出信号，并存储在存储部中。
NV中心具有金刚石晶体中的碳(C)原子被氮(N)原子取代、且不存在应该与其相邻而存在的碳原子(即空位(V))的结构。NV中心通过波长约为490～560nm的绿色的光(例如532nm的激光)而从基态迁移到激发态，放射波长约为630～800nm的红色的光(例如637nm的荧光)而恢复到基态。NV中心在捕获一个电子的状态(即NV-)下，形成磁量子数ms为-1、0、+1的自旋三重态，若存在磁场，则ms＝±1的状态的能级根据磁场强度而分裂(即塞曼分裂)。在向NV中心照射约为2.87GHz的微波，使ms＝0的状态迁移到ms＝±1的状态(即电子自旋共振)之后，照射绿色的光而激发。由此，由于恢复到基态时的迁移包括不放射光(即荧光)的迁移，因此观测到的放射光的强度降低。因此，在ESR(Electron Spin Resonance：电子自旋共振)光谱中观测到谷(即信号的下降)。如上所述，通过控制部142控制发光元件102及电磁波产生部140，例如，测定如图4所示的光谱。观测到的Δf依赖于金刚石元件116的位置处的磁场强度。
具体的光谱的测定如下进行测定。即，从金刚石元件116扩散并放射的光(即荧光)被聚光元件114聚光而作为平行光被输入到光波导112的另一个端部。光波导112中输入的光(即荧光)由光波导112传输，从光波导112的一个端部输出。从光波导112的一个端部输出的光(即荧光)被荧光反射滤波器110反射，并通过LPF122，被聚光元件124聚光而向光检测部126照射。由此，与配置有金刚石元件116的位置处的磁场相应的频率的光由光检测部126检测。光检测部126生成与入射的光相应的电信号并输出。光检测部126例如是光电二极管。光检测部126的输出信号由控制部142获取。
LPF122是长通滤波器，使规定波长以上的波长的光通过，并截止(例如反射)比规定波长小的波长的光。金刚石元件116的放射光是红色的光，通过LPF122，但激发光由于波长比其短，因此不通过LPF122。由此，能够抑制从发光元件102放射的激发光被光检测部126检测而成为噪声、金刚石元件116的放射光(即荧光)的检测灵敏度降低。
根据以上，控制部142能够向金刚石元件116照射激发光，在规定的范围内扫描电磁波的频率并向金刚石元件116照射，从而获取从金刚石元件116放射的光(即荧光)作为从光检测部126输出的电信号。能够根据观测到的Δf(即，依赖于金刚石元件116的位置处的磁场强度的值)来计算金刚石元件116的位置处的磁场强度。即，金刚石传感器单元100作为磁传感器发挥功能。需要说明的是，金刚石传感器单元100并不限于磁场(即磁场)，也能够用作用于检测与磁场相关的物理量例如磁化、电场、电压、电流、温度及压力等的传感器。
如果在光波导112中使用光纤，则作为传感器的主体的金刚石元件116和聚光元件114由电绝缘体形成，因此即使传感器部120及光波导112的另一个端部设置于高电压设备等，也能够抑制由放电等引起的损伤的产生。因此，通过金刚石传感器单元100，能够在高电压环境中安全地测定磁场等。另外，能够经由光波导112将激发光产生部106及受光部128远离高电压环境而配置，通过金刚石传感器单元100，能够远距离测定磁场等。另外，由于传感器部120包括配置于金刚石元件116与光波导112之间的聚光元件114，因此能够减少激发光及放射光的损耗，提高检测精度。另外，能够设置将激发光与放射光分离的荧光反射滤波器110，由一个介质(例如光波导112)进行激发光及放射光的传输。由此，如后所述，与设置分别传输激发光及放射光的两个介质的情况相比，能够减少构成要素，能够成为简单的结构。
(第二实施方式)
在第一实施方式中，使用一个光波导112双向传输光(即激发光及放射光)，但在第二实施方式中，使用分别传输金刚石元件216的激发光及放射光的光波导。参照图5，本公开的第二实施方式所涉及的金刚石传感器单元200包括激发光产生部206、第一光波导212、聚光元件208、荧光反射滤波器210、传感器部220、LPF222、聚光元件224、第二光波导230及受光部228。与第一实施方式同样地，在金刚石传感器单元200的外部配置有电磁波产生部140及控制部142。
激发光产生部206包括发光元件202及聚光元件204。传感器部220包括聚光元件214、金刚石元件216及电磁波照射部218。受光部228包括光检测部226。发光元件202、聚光元件204、荧光反射滤波器210、聚光元件214、金刚石元件216、电磁波照射部218、LPF222及光检测部226分别与图2所示的发光元件102、聚光元件104、荧光反射滤波器110、聚光元件114、金刚石元件116、电磁波照射部118、LPF122及光检测部126对应，同样地发挥功能。因此，对它们简略地进行说明。
与第一实施方式同样地，发光元件202受到控制部142的控制，产生用于激发金刚石的NV中心的激发光。控制部142例如将用于使发光元件202发光的电压在规定的定时供给到发光元件202。激发光是绿色的光。激发光优选为激光，发光元件202优选为半导体激光器。聚光元件204对从发光元件202扩散并输出的激发光进行聚光，并输入到第一光波导212的光的入射端部。
第一光波导212包括传输光的介质。第一光波导212与图2所示的光波导112不同，传输激发光，但不传输金刚石元件216的放射光。即，将入射到第一光波导212的配置于激发光产生部206侧的一个端部(即入射端部)的激发光传输至配置于传感器部220侧的另一个端部(即输出端部)并输出。第一光波导212例如是光纤。从第一光波导212扩散并输出的激发光被聚光元件208聚光而作为平行光入射到荧光反射滤波器210。
荧光反射滤波器210是用于将从聚光元件208入射的激发光与从金刚石元件216放射的光(即荧光)分离的元件。荧光反射滤波器210也可以是分色镜。
聚光元件214会聚通过荧光反射滤波器210而输入的激发光，并向金刚石元件216照射。聚光元件214与金刚石元件216接触而配置。金刚石元件216包括NV中心。电磁波照射部218向金刚石元件216照射电磁波(例如微波)。电磁波照射部218例如是线圈。电磁波从电磁波产生部140供给到电磁波照射部218。激发光及电磁波向金刚石元件216的照射由控制部142在例如图3所示的定时控制。由此，如上所述，从金刚石元件216放射红色的光(即荧光)。
从金刚石元件216扩散并放射的光(即红色的荧光)被聚光元件214聚光而成为平行光，并被输入到荧光反射滤波器210。荧光反射滤波器210中输入的光(即红色的荧光)被荧光反射滤波器210反射，入射到LPF222。入射到LPF222的金刚石元件216的放射光(即红色的荧光)通过LPF222，被聚光元件224聚光，入射到第二光波导230的一个端部(即入射端部)。LPF222抑制从发光元件202放射的激发光被光检测部226检测而成为噪声，因此，抑制金刚石元件216的放射光(即荧光)的检测灵敏度降低。
第二光波导230包括传输光的介质。第二光波导230将从聚光元件224入射到一个端部(即入射端部)的光(即金刚石元件216的放射光)传输至配置于受光部228侧的另一个端部(即输出端部)。从第二光波导230输出的光由光检测部226检测。光检测部226例如是光电二极管。光检测部226的输出信号由控制部142获取。
根据以上，与第一实施方式同样地，控制部142能够向金刚石元件216照射激发光，在规定的范围内扫描电磁波的频率并向金刚石元件216照射，从而获取从金刚石元件216放射的光(即荧光)作为从光检测部226输出的电信号。因此，金刚石传感器单元200作为磁传感器发挥功能。金刚石传感器单元200并不限于磁场，也能够用作用于检测与磁场相关的物理量例如磁化、电场、电压、电流、温度及压力等的传感器。
如果在两个光波导中使用光纤，则作为传感器的主体的金刚石元件216和聚光元件214由电绝缘体形成，因此能够抑制由放电等引起的损伤的产生。因此，通过金刚石传感器单元200，能够在高电压环境中安全地测定磁场等。另外，能够经由第一光波导212及第二光波导230将激发光产生部206及受光部228远离高电压环境而配置，通过金刚石传感器单元200，能够远距离测定磁场等。另外，由于传感器部220包括配置于金刚石元件216与第一光波导212及第二光波导230之间的聚光元件214，因此能够减少激发光及放射光的损耗，提高检测精度。
通过使用两个光波导(即第一光波导212及第二光波导230)，能够分别适当地传输波长不同的激发光和金刚石元件216的放射光。即，通过使用与波长相应的芯径的光纤，能够设计适合各个的聚光光学系统(即，聚光元件204、聚光元件208、聚光元件214及聚光元件224)，能够提高光的传输效率，能够提高测定精度。在光波导中使用光纤的情况下，传输金刚石的放射光的光纤(即第二光波导230)的芯径优选比传输激发光的光纤(即第一光波导212)的芯径大。
如上所述，为了提高激发光的能量密度，用于传输激发光的光纤的芯径越小越好，但若芯径过小，则在将光从光源输入到光纤时会产生损耗。因此，存在适当的芯径。第一光波导212的芯径优选为1μm以上且100μm以下。另一方面，用于传输金刚石元件216的放射光的光纤的芯径越大越优选。但是，若芯径过大，则成本高。第二光波导230的芯径优选为1μm以上且1mm以下。但是，在这种情况下，若第二光波导230的芯径比第一光波导212的芯径小，则由激发光产生的荧光也不会被充分地聚光，驱动电力的损耗变大。因此，第二光波导230的芯径优选为第一光波导212的芯径以上，更优选为比第一光波导212的芯径大。例如，在第一光波导212的芯径为1μm的情况下，第二光波导230的芯径优选为1μm以上，更优选为25μm以上，进一步优选为50μm以上。另外，在第一光波导212的芯径为1μm的情况下，与50μm以上相比，第二光波导230的芯径优选为80μm以上，更优选为400μm以上，进一步优选为800μm以上。例如，在第一光波导212的芯径为80μm的情况下，第二光波导230的芯径优选为80μm以上，更优选为105μm以上，进一步优选为400μm以上，更进一步优选为800μm以上。在任一情况下，若芯径比1mm大，则都会产生难以弯曲光纤、成本高等不良情况。如上所述，只要第一光波导212的芯径在1μm以上且100μm以下的范围内，则上述的优选条件就成立。
(第一变形例)
在第二实施方式中，使用荧光反射滤波器210和LPF222将激发光与金刚石元件216的放射光分离，但并不限定于此。也可以使用激发光反射滤波器带有LPF的功能这一点来将激发光与金刚石元件216的放射光分离。
参照图6，第一变形例所涉及的金刚石传感器单元300使用带有LPF的功能的激发光反射滤波器302，将来自发光元件202的激发光与金刚石元件216的放射光分离。金刚石传感器单元300在金刚石传感器单元200(参照图5)中，用带有LPF的功能的激发光反射滤波器302替代荧光反射滤波器210及LPF222，并将产生及传输激发光的路径和传输及检测金刚石元件216的放射光的路径进行替换。带有LPF的功能的激发光反射滤波器302是长通滤波器，也是激发光反射滤波器。在图6中，标注了与图5相同的附图标记的构成要素表示与图5相同。因此，不重复对它们的反复说明。
由发光元件202产生的激发光被聚光元件204聚光，并被输入到第一光波导212的一个端部。激发光由第一光波导212传输，从第一光波导212的另一个端部输出，并被聚光元件224聚光而成为平行光，入射到带有LPF的功能的激发光反射滤波器302。由于激发光是绿色的光，因此被带有LPF的功能的激发光反射滤波器302反射，入射到聚光元件214。
另一方面，金刚石元件216的放射光被聚光元件214聚光而成为平行光，入射到带有LPF的功能的激发光反射滤波器302。金刚石元件216的放射光(即红色的荧光)通过带有LPF的功能的激发光反射滤波器302而被聚光元件224聚光，入射到第二光波导230，由第二光波导230传输至受光部228，由受光部228检测。因此，与第二实施方式的金刚石传感器单元200同样地，金刚石传感器单元300作为检测磁场等的传感器发挥功能。
(第二变形例)
在上述中，对使激发光入射到包括NV中心的金刚石元件的一个面，并测定来自该相同的面的放射光的情况进行了说明，但并不限定于此。在包括NV中心的金刚石元件具有多个平坦的面的情况下，照射激发光的面与测定放射光的面也可以不同。平坦面是指具有规定以上的面积的一个平面，这里，包括NV中心的金刚石元件的平坦面是指具有比直径约为200μm的圆大的面积的一个平面。
参照图7，第二变形例所涉及的金刚石传感器单元400检测从与使激发光入射到金刚石元件402的面不同的面放射的光。金刚石传感器单元400在图5所示的金刚石传感器单元200中，用传感器部408替代传感器部220，并去除聚光元件208、荧光反射滤波器210及聚光元件224。在图7中，标注了与图5相同的附图标记的构成要素表示与图5相同。不重复对它们的反复说明。
传感器部408包括金刚石元件402、聚光元件404、聚光元件406及电磁波照射部218。金刚石元件402包括NV中心，具有多个平坦面。金刚石元件402例如形成为长方体。聚光元件404与金刚石元件402的一个平坦面(以下，称为第一平坦面)接触而配置。聚光元件406与金刚石元件402的与第一平坦面不同的平坦面(以下，称为第二平坦面)接触而配置。
由第一光波导212传输的激发光入射到聚光元件404，被聚光元件404聚光而照射金刚石元件402的第一平坦面。如上所述，通过在规定的定时对金刚石元件402进行激发光的照射及由电磁波照射部218进行的电磁波(例如微波)的照射，从而从金刚石元件402放射光。放射光向所有方向放射。从金刚石元件402的第二平坦面放射的光(即红色的荧光)被聚光元件406聚光而成为平行光，入射到LPF222，通过LPF222而入射到第二光波导230的一个端部。然后，从金刚石元件402的第二平坦面放射的光(即红色的荧光)由第二光波导230传输至光检测部226，由光检测部226检测。因此，与第二实施方式的金刚石传感器单元200同样地，金刚石传感器单元400作为检测磁场等的传感器发挥功能。
像这样，通过设为检测来自与照射激发光的面(即第一平坦面)不同的面(即第二平坦面)的放射光的结构，能够削减聚光元件的数量，能够削减用于将激发光与金刚石元件的放射光分离的元件(例如荧光反射滤波器等)。因此，能够将金刚石传感器单元设为更简单的结构，能够削减成本。
在上述中，对金刚石元件402形成为长方体、且第一平坦面及第二平坦面为形成90度的两个面的情况进行了说明，但并不限定于此。在金刚石元件402形成为长方体的情况下，也可以将与第一平坦面平行的平坦面作为对检测对象的放射光进行聚光的第二平坦面。另外，金刚石元件402只要具有至少两个平坦面即可，并不限于六面体，金刚石元件402的形状是任意的。
(第三变形例)
在上述中，对向包括NV中心的金刚石元件照射电磁波(例如微波)的情况进行了说明，但并不限定于此。如非专利文献1所公开的那样，包括NV中心的金刚石元件即使不照射电磁波，也作为磁传感器发挥功能。
参照图8，第三变形例所涉及的金刚石传感器单元500在图2所示的金刚石传感器单元100中去除了电磁波照射部118。即，传感器部502包括聚光元件114及金刚石元件116，但不包括电磁波照射部(例如线圈等)。在金刚石传感器单元500中，与金刚石传感器单元100(参照图2)同样地，向金刚石元件116照射从发光元件102输出的激发光(即绿色的光)。由此，金刚石元件116的NV中心被激发，放射光(即红色的荧光)而恢复到原来的状态。因此，通过测定放射光，金刚石传感器单元500作为磁传感器发挥功能。
使用了微波的测定原理如上所述，利用来自基态能级的荧光的强度与来自用微波共振吸收的激发能级的荧光的强度不同这一点，能够以微波的频率将共振能级数值化，能够通过共振能级的变化来测定磁场的变化。另一方面，这里利用的测定原理使用即使在不照射微波的情况下，荧光强度也发生变化这一点。即，利用存在于基态能级的电子因磁场的影响而发生变化、荧光强度与磁场相关地发生变化这一点。
因此，金刚石传感器单元500作为检测磁场等的传感器发挥功能。传感器部502不包括线圈等导电性部件，全部由电绝缘部件构成。因此，传感器部502即使设置于高电压设备，也不会因放电等而损伤。其结果，通过金刚石传感器单元500，能够在高电压环境中安全地测定磁场等。
(第四变形例)
不照射电磁波而使包括NV中心的金刚石元件作为磁传感器发挥功能的结构并不限于图8所示的结构。参照图9，第四变形例所涉及的金刚石传感器单元600从图2所示的金刚石传感器单元100中去除了聚光元件114及电磁波照射部118。即，传感器部602包括金刚石元件116，但聚光元件及电磁波照射部均不包括。金刚石元件116与光波导112的端部接触而配置。
在金刚石传感器单元600中，与金刚石传感器单元100(参照图2)同样地，若向金刚石元件116照射从发光元件102输出的激发光(即绿色的光)，则金刚石元件116的NV中心被激发，放射光(即红色的荧光)而恢复到原来的状态。因此，通过测定放射光，金刚石传感器单元600作为磁传感器发挥功能。磁场的测定方法与第三变形例相同。
因此，金刚石传感器单元600作为检测磁场等的传感器发挥功能。传感器部602不包括线圈等导电性部件，全部由电绝缘部件构成。因此，传感器部602即使设置于高电压设备，也不会因放电等而损伤，能够在高电压环境中安全地测定磁场等。
(第五变形例)
在第三变形例及第四变形例中，通过一个光波导来传输激发光及放射光，但为了分别传输激发光及放射光，也可以使用两个光波导。参照图10，第五变形例所涉及的金刚石传感器单元700在图5所示的金刚石传感器单元200中去除了电磁波照射部218。即，传感器部702包括聚光元件214及金刚石元件216，但不包括电磁波照射部(例如线圈等)。在金刚石传感器单元700中，与金刚石传感器单元200(参照图5)同样地，若向金刚石元件216照射从发光元件202输出的激发光(即绿色的光)，则金刚石元件216的NV中心被激发，放射光(即红色的荧光)而恢复到原来的状态。因此，通过测定放射光，金刚石传感器单元700作为磁传感器发挥功能。磁场测定的测定方法与第三变形例相同。
因此，金刚石传感器单元700作为检测磁场等的传感器发挥功能。传感器部702不包括线圈等导电性部件，全部由电绝缘部件构成。因此，传感器部702即使设置于高电压设备，也不会因放电等而损伤，能够在高电压环境中安全地测定磁场等。
需要说明的是，在图6所示的金刚石传感器单元300及图7所示的金刚石传感器单元400中，也可以分别去除电磁波照射部218。在这种情况下，也能够不照射电磁波而测定磁场。
在上述中，对金刚石传感器单元使用具有NV中心的金刚石元件的情况进行了说明，但并不限定于此。只要是具有带有电子自旋的色心的金刚石元件即可。带有电子自旋的色心是形成自旋三重态、通过被激发而发光的中心，NV中心是代表例。除此以外，已知在硅-空位中心(即Si-V中心)、锗-空位中心(即Ge-V中心)、锡-空位中心(即Sn-V中心)中也存在带有电子自旋的色心。因此，也可以取代包括NV中心的金刚石元件，而使用包括这些的金刚石元件来构成金刚石传感器单元。
需要说明的是，激发光及放射光(即荧光)的波长、以及共振激发的电磁波的频率根据色心的能级而不同。其中，NV中心在光的波长及微波的频率方面易于处理而优选。在Si-V中心、Ge-V中心、Sn-V中心的情况下，在照射的电磁波中使用频率比微波(例如1GHz～30GHz)高的毫米波(例如30GHz～300GHz)或者亚毫米波(例如300GHz～3THz)。例如，如果是Si-V中心，则能够使用约48GHz的毫米波，如果是Sn-V中心，则能够使用约850GHz的亚毫米波。
激发光优选为激光，作为产生装置，半导体激光器在能够小型化方面更优选。金刚石元件的放射光的检测器也可以是真空管型，但在小型化方面，更优选半导体检测装置。
光波导优选为两层以上的同轴结构，该同轴结构具有光通过的芯部分、以及形成于芯的周边的折射率与芯部分不同的材料的部分。芯部分也可以不是被传输光的介质紧密填充的方式。由于空间自身能够传输光，因此芯部分也可以是空腔。光波导优选为芯径为1μm以上且80μm以下的光纤。这是因为，如果使用光纤，则能够比较容易地将激光引导至期望的位置，也能够抑制在光纤的输出端部的发散。
聚光元件只要由具有对光进行聚光的作用的物质形成即可。例如，可以是由基于氧化硅的原材料(例如玻璃。也可以包括氧化硅以外的添加物)形成的透镜，也可以是带有衍射功能的物质。聚光元件优选为透射光而利用折射现象的透镜。优选为球面状的透镜、半球面状的透镜、以及菲涅耳透镜等。特别是，由于折射率与球体形状的关系，更优选为平行光的焦点位于球面上的透镜。这是因为，如果使用这样的透镜，则光学上的焦点及光轴的调整变得非常简便，能够最大地利用光量。优选基于氧化硅的原材料的透镜与金刚石直接接触。这是因为，若未接触，则会产生光无法良好地聚光的不良情况。另外，若受到强烈的冲击，则有时从金刚石到透镜的距离发生变化，在这种情况下，光也无法良好地聚光。进而，更优选基于氧化硅的原材料的透镜与光纤也直接接触。这是因为，将荧光聚光在光纤上时的损耗变少，难以发生由冲击引起的距离的变化。
在将传感器部配置于高电压环境的情况下，传输激发光和金刚石的放射光的光波导(例如光纤)优选穿过绝缘碍子之中而配置。由此，能够使激发光产生部及受光部与高电压绝缘，能够保护在激发光产生部及受光部中使用的设备。
电磁波照射部并不限于线圈状，也可以如后所述为直线状的电气布线。在这种情况下，金刚石元件只要配置于传输电磁波(例如微波或毫米波等)的传输路径(例如导电性部件)的表面上或端部即可。由此，能够精度良好地向金刚石的NV中心照射电磁波。
在使用上述的金刚石传感器单元、以交流电力为对象来检测变动的磁场等的时间变化的情况下，优选金刚石元件的NV中心在被激发之后从放射光的状态迅速恢复到原来的状态(即激发前的状态)。为此，优选金刚石元件的自旋相干时间T2短。例如，金刚石元件的自旋相干时间T2优选为小于50μsec。需要说明的是，由于检测灵敏度与(T2)-1/2成正比，因此T2越小检测灵敏度越小。因此，在检测磁场变动的急剧的变化的情况下，例如在检测脉冲状的磁场变动的情况下，考虑牺牲检测灵敏度，尽可能地缩短金刚石元件的自旋相干时间T2。
为了缩短自旋相干时间，优选金刚石元件包括杂质。考虑到T2越小检测灵敏度越降低，例如，金刚石中的总氢浓度优选为大于0ppm且1ppm以下。另外，金刚石中的NVH-浓度、CH浓度及CH2浓度也均优选为大于0ppm且1ppm以下。这里，浓度(ppm单位)表示原子的个数的比例。
实施例1
以下，通过实施例来示出本公开的有效性。图11示出图5所示的结构的实施例。在图11中，与图5所示的构成要素对应的构成要素标注了与图5相同的附图标记。
在第一光波导212及第二光波导230中使用了阶跃折射率多模型的光纤。第一光波导212的芯径为50μm，NA(即数值孔径)为0.2。第二光波导230的芯径为400μm，NA为0.5。在金刚石元件216中使用了3mm×3mm×0.3mm的长方体的金刚石。在聚光元件214中使用直径为2mm的球形的透镜，使聚光元件214与金刚石元件216的表面(即3mm×3mm的平坦面)接触而固定。在传输激发光的光学系统中，除了聚光元件208及荧光反射滤波器210以外，还配置三角棱镜250，来构成准直光学系统。由此，调整为使激发光入射到受光元件214的中心。
在电磁波照射部218中使用了图12所示的共面线路。将形成于一边约为2cm的玻璃环氧基板270的表面的铜箔272切成“コ”字状，在中央形成作为宽度为1mm的主布线的电磁波照射部218。金刚石元件216通过银膏固定于电磁波照射部218的一个端部(即，在图12中用点划线的椭圆表示的区域)。由此，能够精度良好地向金刚石元件216的NV中心照射微波。电磁波照射部218的另一个端部(即，未配置金刚石元件216的端部)与图11的连接器254连接。
微波由设置于远距离的微波产生装置生成，在空中传输，由天线252(参照图11)接收。向空中的微波的放射使用了喇叭天线(增益为10dB)。在天线252中使用了图13所示的贴片天线(频率为2.873GHz，最大增益约为10dBi)。贴片天线具备基板280及284、以及用于输出接收到的信号的连接器288。基板280及284通过设置于四个角的间隔件286而隔开间隔H(H＝5.2(mm))配置。基板280及284均为玻璃环氧树脂的基板(例如FR4)，厚度为1mm，平面为正方形(一边的长度L为120mm)。在基板280的不与基板284相对的面上，配置有四个导电部件282。在基板284的与基板280相对的面(以下，称为接地面)上，在整个面上配置有导电性部件。四个导电部件282与连接器288的信号线并联连接，基板284的接地面与连接器288的屏蔽件(即接地)连接。将由天线252接收到的微波经由传输路径(即同轴电缆)传输至连接器254，并从电磁波照射部218向金刚石元件216照射。
在光检测部226中使用了PIN-AMP(即，具有线性电流放大电路的光电二极管IC)。所使用的PIN-AMP的光电二极管的灵敏度波长范围为300～1000nm，最大灵敏度波长为650nm，将光电二极管产生的光电流放大1300倍并输出。
将构成传感器部的聚光元件214、金刚石元件216、电磁波照射部218配置于电气布线260的附近，使交流电流(50Hz或60Hz、30A)流过电气布线260，并将由此产生的变动磁场作为检测对象。通过交流电流，形成于传感器部的磁场的最大值约为0.3μT。将从喇叭天线放射的微波的功率设为恒定(30dBm(＝1W))，使传感器部与放射微波的喇叭天线的距离D变化而进行测定。其结果如图14A～图14C及图15所示。
图14A～图14C示出在使50Hz的交流电流(30A)流过电气布线260的状态下，由PIN-AMP检测到的信号。图14A～图14C分别是D＝2.8(m)、D＝4(m)及D＝5(m)的测定结果。纵轴均为1刻度10.0mV，横轴均为1刻度5ms。图15示出在使60Hz的交流电流(30A)流过电气布线260的状态下，设D＝10(m)，由PIN-AMP检测到的信号。纵轴为1刻度10.0mV，横轴为1刻度4ms。
由图14A～图14C及图15可知，若放射微波的距离D变长，则检测到的信号减少，但即使从与传感器部间隔约10m的位置放射1W左右的比较弱的微波，也能够充分地检测由交流电流形成的磁场变化。图14A～图14C所示的检测信号以交流频率50Hz变化。图15所示的检测信号以交流频率60Hz变化。需要说明的是，微波根据距离而衰减，但只要考虑所采用的光检测部的检测界限(即功率的下限值)及放射距离，调整所放射的微波功率、放射用天线的增益、以及接收用天线的增益等即可。
在上述中，在一边约为2cm的基板上形成了共面线路，但也可以使用一边约为5cm以下的长方形的基板。
另外，如作为第三变形例～第五变形例(图8～图10)示出的那样，即使不向金刚石元件照射电磁波(例如微波等)，也能够检测磁场。例如，如图16所示，也可以从图11所示的实施例的结构中去除用于照射微波的要素(即电磁波照射部218、天线252及连接器254等)，来构成金刚石传感器单元。在这种情况下，也能够检测因流过电气布线260的交流电流而产生的变动磁场。
将聚光元件214设为离金刚石元件216的表面0.1mm而非接触，其他条件设为与上述的D＝2.8m的实验条件、即观测到图14A的信号的实验条件相同来进行实验。其结果，信号强度小于检测界限的1/10而无法观测到。可以认为激发光的密度降低，且荧光强度不被聚光，信号强度小于1/10。需要说明的是，信号强度是指关于图14A的纵轴的值，将噪声部分平均化而得的最大值与最小值之差。
另外，将第一光波导212的芯径设为1μm，将第二光波导230的芯径变更为0.9μm、1μm、25μm、50μm、80μm、400μm及800μm来进行实验。其他条件设为与上述的D＝2.8m的实验条件、即观测到图14A的信号的实验条件相同。其结果，信号强度(即荧光强度)以图14A的信号强度为基准值(例如1)，分别为：小于其0.1倍、0.5倍、1.2倍、1.6倍、1.8倍、1.9倍及2倍。即，除了第二光波导230的芯径为0.9μm的情况以外，能够检测到信号，若第二光波导230的芯径变大，则检测信号也变大。需要说明的是，在第二光波导230的芯径为1.2mm的情况下，无法容纳在紧凑的实验系统中。另外，对利用第一光波导212和第二光波导230的其他变形例进行同样的实验，结果，关于检测到的信号强度，得到与上述大致相同的比率。
另外，将第一光波导212的芯径设为80μm，将第二光波导230的芯径变更为50μm、80μm、105μm、400μm及800μm来进行实验。其他条件设为与上述的D＝2.8m的实验条件、即观测到图14A的信号的实验条件相同。其结果，信号强度(即荧光强度)以图14A的信号强度为基准值(例如1)，分别为：小于其0.1倍、0.3倍、0.6倍、0.75倍及0.8倍。即，除了第二光波导230的芯径为50μm的情况以外，能够检测到信号，若第二光波导230的芯径变大，则检测信号也变大。需要说明的是，在第二光波导230的芯径为1.2mm的情况下，无法容纳在紧凑的实验系统中。另外，对利用第一光波导212和第二光波导230的其他变形例进行同样的实验，结果，关于检测到的信号强度，得到与上述大致相同的比率。
以上，通过说明实施方式对本公开进行了说明，但上述的实施方式是示例，本公开并不仅限于上述的实施方式。本公开的范围在参考发明的详细的说明的记载的基础上，由权利要求书的各权利要求表示，包括与其中记载的语句等同的含义及范围内的所有变更。
附图标记说明
100、200、300、400、500、600、700金刚石传感器单元
102、202发光元件
104、114、124、204、208、214、224、404、406聚光元件
106、206 激发光产生部
110、210 荧光反射滤波器
112 光波导
116、216、402金刚石元件
118、218电磁波照射部
120、220、408、502、602、702传感器部
122、222、908LPF
126、226 光检测部
128、228 受光部
140 电磁波产生部
142 控制部
212 第一光波导
230 第二光波导
250 三角棱镜
252 天线
254、288 连接器
260 电气布线
270 玻璃环氧基板
272 铜箔
280、284、912、914、916基板
282 导电部件
286 间隔件
302 激发光反射滤波器
900LED
902SPF
904 金刚石
906 透镜
910 光电二极管
H 间隔
L 长度。

Claims (16)

1.一种金刚石传感器单元，包括：
传感器部，包括具有色心的金刚石，所述色心带有电子自旋；
照射部，向所述金刚石照射激发光；
检测部，检测来自所述金刚石的所述色心的放射光；以及
光波导，传输所述激发光及所述放射光。
2.根据权利要求1所述的金刚石传感器单元，其中，
所述传感器部包括对所述激发光及所述放射光进行聚光的聚光元件，
所述聚光元件配置于所述金刚石与所述光波导之间。
3.根据权利要求2所述的金刚石传感器单元，其中，
所述聚光元件是基于氧化硅而形成的球状的透镜、或者基于氧化硅而形成的菲涅耳透镜，
所述光波导是芯径为1μm以上且80μm以下的光纤。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的金刚石传感器单元，其中，
所述光波导经由至少一个绝缘碍子中而配置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的金刚石传感器单元，其中，
所述光波导包括传输所述激发光及所述放射光的一个介质，
在距所述光波导的两个端部中的、位于距所述金刚石更远的位置的一个端部规定距离内，包括将所述激发光与所述放射光分离的荧光反射滤波器、LPF或分色镜。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的金刚石传感器单元，其中，
所述光波导包括传输所述激发光的第一光波导和传输所述放射光的第二光波导，
所述第一光波导的一个端部配置于比所述第一光波导的另一个端部更靠近所述金刚石的位置，
所述第二光波导的一个端部配置于比所述第二光波导的另一个端部更靠近所述金刚石的位置，
在距所述第一光波导的所述一个端部及所述第二光波导的所述一个端部规定距离内，包括将所述激发光与所述放射光分离的荧光反射滤波器、LPF或分色镜。
7.根据权利要求6所述的金刚石传感器单元，其中，
所述第一光波导包括第一光纤，
所述第二光波导包括第二光纤，
所述第二光纤的芯径比所述第一光纤的芯径大。
8.根据权利要求7所述的金刚石传感器单元，其中，
所述第一光纤的芯径为1μm以上且100μm以下，
所述第二光纤的芯径为1μm以上且1mm以下。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的金刚石传感器单元，其中，
所述金刚石具有多个平坦面，
所述激发光入射到所述多个平坦面中的第一平坦面，
所述检测部检测从所述多个平坦面中的所述第一平坦面以外的第二平坦面放射的所述放射光。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的金刚石传感器单元，其中，
具有所述金刚石的所述传感器部全部由电绝缘部件形成。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的金刚石传感器单元，其中，
所述金刚石配置于传输微波或毫米波的传输线路上，
所述传感器部作为磁传感器发挥功能。
12.根据权利要求11所述的金刚石传感器单元，其中，
所述传输线路包括配置于一边为5cm以下的矩形的印刷基板上的主布线，
在所述主布线的一个端部配置有金刚石。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的金刚石传感器单元，其中，
所述金刚石的自旋相干时间小于50μsec。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的金刚石传感器单元，其中，
所述金刚石中的总氢浓度为1ppm以下。
15.根据权利要求1至13中任一项所述的金刚石传感器单元，其中，
所述金刚石中的NVH-浓度、CH浓度及CH2浓度均为1ppm以下。
16.一种金刚石传感器系统，包括：
权利要求11或12所述的金刚石传感器单元；
电磁波产生部，产生所述微波或所述毫米波；以及
控制部，控制所述照射部、所述检测部及所述电磁波产生部，
所述控制部将所述微波或所述毫米波与所述激发光一起在时间上及空间上组合而向所述金刚石照射。
CN202280011208.6A 2021-01-27 2022-01-26 金刚石传感器单元及金刚石传感器系统 Pending CN116848422A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021-010935 2021-01-27
JP2021010935 2021-01-27
PCT/JP2022/002765 WO2022163678A1 (ja) 2021-01-27 2022-01-26 ダイヤモンドセンサユニット及びダイヤモンドセンサシステム

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116848422A true CN116848422A (zh) 2023-10-03

Family

ID=82653413

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202280011208.6A Pending CN116848422A (zh) 2021-01-27 2022-01-26 金刚石传感器单元及金刚石传感器系统

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20240111008A1 (zh)
EP (1) EP4286876A1 (zh)
JP (1) JPWO2022163678A1 (zh)
CN (1) CN116848422A (zh)
WO (1) WO2022163678A1 (zh)

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201301556D0 (en) * 2013-01-29 2013-03-13 Element Six Ltd Synthetic diamond materials for quantum and optical applications and methods of making the same
GB201320302D0 (en) * 2013-11-18 2014-01-01 Element Six Ltd Diamond components for quantum imaging sensing and information processing devices
JP6671745B2 (ja) 2015-09-30 2020-03-25 国立大学法人北陸先端科学技術大学院大学 近接場プローブ構造および走査プローブ顕微鏡
JP6655415B2 (ja) * 2016-02-16 2020-02-26 ルネサスエレクトロニクス株式会社 磁気計測装置
US20170343621A1 (en) * 2016-05-31 2017-11-30 Lockheed Martin Corporation Magneto-optical defect center magnetometer
JP7225545B2 (ja) 2017-02-21 2023-02-21 日新電機株式会社 検出装置及び検出方法
US20190285706A1 (en) * 2018-03-13 2019-09-19 Lockheed Martin Corporation Magnetic detection system for device detection, characterization, and monitoring
JP7066531B2 (ja) * 2018-06-01 2022-05-13 株式会社日立製作所 探針製造装置、及び方法
JP7194327B2 (ja) * 2018-07-03 2022-12-22 スミダコーポレーション株式会社 磁場測定装置および磁場測定方法
JP7307614B2 (ja) 2019-07-09 2023-07-12 日鉄テックスエンジ株式会社 下地処理方法及び下地処理装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20240111008A1 (en) 2024-04-04
JPWO2022163678A1 (zh) 2022-08-04
WO2022163678A1 (ja) 2022-08-04
EP4286876A1 (en) 2023-12-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20210208108A1 (en) Devices and methods for quartz enhanced photoacoustic spectroscopy
CN112867934A (zh) 基于原子的电磁场感测元件与测量系统
EP0692222A1 (en) Sensor for analyzing molecular species
US20160204788A1 (en) Quantum interference device, atomic oscillator, electronic device, and moving object
JP5765086B2 (ja) テラヘルツ波発生装置、カメラ、イメージング装置および計測装置
CN111856361B (zh) 一种核磁共振谱仪及其探测能级结构的方法
WO2022163679A1 (ja) ダイヤモンドセンサユニット
CN115769447A (zh) 光频梳装置及计测装置
EP0446345A1 (en) RADIATION SOURCE FOR HELIUM MAGNETOMETER.
WO2022163677A1 (ja) ダイヤモンド磁気センサユニット及びダイヤモンド磁気センサシステム
CN116848422A (zh) 金刚石传感器单元及金刚石传感器系统
KR20160120988A (ko) 형광 수명 측정 장치
US20240168107A1 (en) Diamond magneto-optical sensor
US20230030197A1 (en) Photodetector and beating spectroscopy device
Fernicola et al. Fiber optic thermometry based on Cr-fluorescence in olivine crystals
US20240142396A1 (en) Sensor Device for Magnetic Field Measurement by Means of Optical Magnetic Resonance Measurement
WO2022210697A1 (ja) ダイヤモンド光磁気センサ及びダイヤモンド光磁気センサシステム
US20240175945A1 (en) Diamond magneto-optical sensor
CN116413512B (zh) 一种基于里德堡原子的瞬时测频方法和系统
JP2021135301A (ja) 静電気センサ
JP2005101401A (ja) テラヘルツ電磁波発生装置
WO2024099542A1 (en) Integrated device for spatially offset raman spectroscopy
JP6501296B2 (ja) 屈折率測定装置
CN116299644A (zh) 用于测量小束斑超快脉冲γ/X射线时间谱的方法及系统
JP3798658B2 (ja) 高周波電磁波検出方法及び装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination